Substrat Green Processed Polymer:Polymer Solar Cells on Renewable Biomaterials Substrates

Behovet av förnyelsebar energi ökar ständigt. Både en ökad energikonsumtion och ett behov av minskade utsläpp av växthusgaser leder till hård press på innovation inom grön energiproduktion. Ett attraktivt alternativ är solkraft. Solen bestrålar jorden med stora mängder energi och trots Sveriges nordliga breddgrad skulle solkraft kunna ge en betydande del av vår energiproduktion med förbättrad teknologi. För tillfället domineras marknaden av kiselbaserade solceller, vilka är dyra att tillverka och produktionsenergin tar lång tid att få tillbaka. Den stora investeringen hämmar därför deras användning trots mycket hög effektivitet. Polymera solceller har möjligheten att förändra solcellsmarknaden med billig och snabb produktion på stor skala och en mycket snabb energiåterbetalning. Deras höga flexibilitet möjliggör nya användningsområden. Mycket stora framsteg i deras teknik har gjorts det senaste decenniet. Det finns även flera problem med dem, bland annat tendensen att degraderas fort och en relativt låg energiproduktion och därför har de ännu inte fått samma genomslag som de kiselbaserade solcellerna. Den vanligaste formen av polymera solceller idag är baserat på en blandning av elektrondonerande polymerer och elektronaccepterande fullerenderivat. Dessa bildar det aktiva lagret på solceller där fotoner absorberas och spänning genereras via excitonseparation. Detta innebär att den exciterade elektronen och elektronhålet separeras och transporteras till elektroder över och under det aktiva lagret. För att möjliggöra detta krävs ett mycket fint nätverk av fasseparerade aktiva material då excitonseparation endast kan ske i gränssnittet. De vanligt förekommande elektronacceptorerna baserade på fulleren har mycket god ledningsförmåga och är lätta att blanda med polymerer. Dessvärre är de instabila och tenderar därför att degradera både under produktion och senare användning av solcellerna. Med tanke på att de även är mycket dyra att tillverka jämfört med polymerer är alternativa elektronacceptorer önskvärda. Ett alternativ är en andra polymer med elektronaccepterande egenskaper. Forskningen på solceller med enbart polymerer som aktivt lager har hamnat i skymundan bakom mer populära alternativ, men de har potentiella fördelar. Halvledande polymerer har höga absorptionskoefficienter i det synliga spektrat och deras energinivåer är lättare att ändra. Detta ger möjligheten att komplettera elektrondonatorns absorptionsspektra vilket ökar den totala mängden energi som kan produceras. Deras struktur är även möjliga att justera för att kontrollera viskositeten i lösning och filmbildningsegenskaper. En enklare bearbetning är mycket viktigt vid storskalig produktion. Problemen man har funnit har framförallt varit en lägre elektronmobilitet jämfört med fullerenderivat och därför har effektiviteten hämmats. Helt polymerbaserade solceller har potentiellt mycket stora fördelar och därför är ett syfte med projektet att producera nya acceptorpolymerer för att ersätta fullerenderivat för polymera solceller. Detta projekt ämnar minska miljöpåverkan från bearbetning av PSCs medan deras effektivitet och stabilitet kommer förbättras genom i) utveckling av kostnadseffektiva acceptorpolymermaterial, ii) möjliggöra användande av miljövänliga lösningsmedel i bearbetning av det aktiva lagret i PSCs, samt iii) användande av förnyelsebara biomaterial från trä som substrat för PSCs. Acceptorpolymererna kommer i huvudsak baseras på det naturliga färgämnet isoindigo, vilket är fördelaktigt för framtida massproduktion. Miljövänliga lösningsmedel för bearbetning av PSCs skulle vara fördelaktiga för att reducera produktionskostnaden, förbättra arbetsmiljön och minimera negativ miljöpåverkan. Användandet av förnyelsebara biomaterial från trä som substrat kommer ytterligare reducera produktionskostnaden av PSCs och höja värdet på en viktig svensk råvara. Framgång för detta projekt kommer ha mycket stor påverkan, både vetenskapligt och för samhället, i form av en ren och billig energikälla.

Participants

Ergang Wang (contact)

Docent vid Chemistry and Chemical Engineering, Applied Chemistry, Polymer Technology

Funding

Formas

Funding Chalmers participation during 2016–2018

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable development

Driving Forces

More information

Latest update

2015-12-10